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（论坛开了个Rsoft交流版块，但是好像里面东西不多，最近做了一个项目在此分享。大部分的设计软件内置了高斯光束作为光源，但是没有光纤模式或者波导模式作为光源，比如ZEMAX，Virtuallab。本文证明，光纤或波导中的基膜光场可用高斯光束作为等价光源。等价处理后，就可以在ZEMAX中直接仿真波导或光纤端面发出的光场，以及后处理：准直、聚焦和耦合等） 1. 光纤、波导中光场基膜与高斯光束的等价关系 激光耦合进波导的基膜，除了强度分布要与波导的基膜一致外，发散角也要一致。因为大部分仿真软件内置高斯光束作为光源，所以先分析1550单模光纤基膜对应的高斯光束模场宽度。光纤参数：康宁G652D，直径8.5um，芯层折射率1.4682，折射率差0.0036，1550模场直径10.8um，数值孔径0.125。 用高斯光束耦合进光纤的基膜，然后改变高斯光束的模场直径，求出最佳耦合效率情况下的高斯光束束腰。如图1所示，单模光纤的模场等效于直径为11um的高斯光束。因此用11um直径的高斯光束可以等效1550单模光纤中的基膜。 图1 1550单模光纤与高斯光束的等价关系 对于PPLN波导，其参数为，宽度10um，折射率为2.13，因此PPLN内部可以存在高阶模式，如图2所示。如图3所示，是直径为2.5um的高斯光束，入射PPLN波导时的各个模式分布。图中从上往下依次是M00，M01，M02，M03，M04，可以看出基膜占60%。另外一个概念是，光的耦合效率，即所有模式效率的叠加，其接近100%（因为折射率差别很大，所以很大角度范围的光都可以在波导内部全反射，不同模式的光的入射角度不一样，基膜只是靠近0度范围内的入射角）。 优化分析，高斯光束束腰大小与PPLN基膜耦合效率的关系，可以得出图4。图中虚线表示总耦合效率（即所有模式耦合效率的和），图中实线表示基膜的耦合效率，可以得出：对于10um宽度的PPLN波导，其最佳高斯光束的宽度是7.6um。 发散角问题，如图5所示，是PPLN基膜在空气中的发散，具体发散情况如图6所示，发散角随传播距离逐步增大，最终发散角与束腰的乘积等于常数。因此，满足PPLN波导耦合的最佳条件是，高斯光束的束腰接近7.6um。 图2 PPLN内部的4阶模式分布 图3直径为2.5um的高斯光束与PPLN波导的耦合情况 图4不同宽度高斯光束与PPLN波导的耦合情况 图5PPLN波导在空气中的发散 图6PPLN波导的发散角情况 2. 激光设计中，如何处理高斯光束 高斯光束的强度和相位都按高斯分布。基膜高斯光束是一个衍射极限的，其模场半径w0与远场发散角（半视场）θ0的乘积等于常数，w0*θ0=0.318*lambda。在物理光学中，对于半径为r的孔径的衍射极限有：r*θ=0.305*lambda。两种特性非常接近，因此，高斯光束是一个衍射极限的光束。对于远场的高斯光束，可以把它单做几何点光源处理（强度按高斯分布），只有在与波长量级的元件打交道时，才引入相位项。 2020.09.29
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发表于 2020-10-15 21:58
发表于 2020-12-11 11:53
